1.2 Teilchendetektoren

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1 KAPTEL. WEKZEUGE DE KENPHYSK 6.2 Teilchendetektoren.2. Das fotografische Verfahren Energiereiche geladene Teilchen hinterlassen Spuren auf Fotoplatten. Aus der Korndichte und der Länge der Spuren kann die Energie des Teilchens ermittelt werden..2.2 Die Nebelkammer n der Wilson schen Nebelkammer befindet sich ein übersättigtes Gemisch aus Wasserdampf und Spiritus. Schnelle geladene Teilchen ionisieren die Gasmoleküle entlang ihrer Bahn. Die onen wirken als Kondesationskeime und es entstehen Nebeltröpfchen entlang der Bahn. Aus der Zahl der Tröpfchen und der onisierungsenergie pro Molekül kann die Energie der Teilchen ermittelt werden. Man sollte sich unbedingt das faszinierende Schauspiel des Entstehens und Vergehens von Teilchen in der großen Nebelkammer des Deutschen Museums in München anschauen..2.3 Die Blasenkammer Die Blasenkammer ist mit einer überhitzten Flüssigkeit unter hohem Druck gefüllt. Bei plötzlicher Drucksenkung entstehen Dampfblasen um onen herum und markieren so die Bahn des ionisierenden Teilchens. Da die Dichte einer Flüssigkeit viel größer ist als die Dichte eines Gases, sind die Teilchenbahnen in der Blasenkammer kürzer als in einer Nebelkammer. Das hat den Vorteil, die ganzen Bahnen von Teilchen beobachten zu können..2.4 Die onisationskammer Die onisationskammer besteht aus einer leitenden Außenelektrode und einer isoliert angebrachten nnenelektrode, die Kammer ist mit einem Gas gefüllt. n der Kammer entstehende Paare aus onen und Elektronen werden durch eine angelegte Spannung U getrennt (die Elektronen wandern zur positiven nnenelektrode, die positiven onen zur negativen Außenelektrode). Bei kleinen Spannungen U kann es noch vorkommem, dass sich Elektronen mit onen wieder zu neutralen Atomen rekombinieren, ab einer gewissen Sättigungsspannung ist der Strom aber proportional zur Zahl der pro Sekunde in der onisationskammer entstehenden onen. solator Aus der onisierungsenergie W pro Gasmolekül und dem onisationsstrom kann auf die gesamte kinetische Energie der ionisierenden Teilchen in der Kammer geschlossen werden. Außenelektrode nnenelektrode Leiter U Messverstärker Abb..2. onisationskammer + Gas He Xe Luft W 42 ev 22 ev 34 ev U s U Abb..2.2 Sättigungsspannung U s

2 KAPTEL. WEKZEUGE DE KENPHYSK Das Zählrohr Das Zählrohr besteht aus einem dünnen Draht als nnenelektrode und einem leitenden Zylindermantel als Außenelektrode. Für kleine Spannungen funktioniert das Zählrohr wie eine onisationskammer. Sind keine on-elektron- Paare im Zählrohr, dann ist der Widerstand zwischen nnen- und Außenelektrode sehr groß gegen den hochohmigen Arbeitswiderstand Abb..2.3 Zählrohr ionisierendes Teilchen E + U Verstärker Zähler (siehe Abb..2.3), d.h. an liegt nur eine kleine Spannung U: U = + (.2.) Wird durch ein energiereiches Teilchen ein on-elektron-paare im Zählrohr erzeugt, dann sinkt drastisch ab und U steigt stark an. Dieser Spannungsimpuls wird noch verstärkt und an einen Zähler weitergeleitet. st Q die in der Zeit t von den Teilchen erzeugte negative Ladung, dann ist der onisationsstrom für kleine Zählrohrspannungen (onisationskammer) = Q t (.2.2) Für größere Spannungen werden die Elektronen, die zur nnenelektrode fliegen, so stark beschleunigt, dass sie weitere Atome des Füllgases ionisieren, d.h. der onisationsstrom wird größer als bei der onisationskammer (Proportionalbereich): = a Q t mit a > (.2.3) Wird die Zählrohrspannung weiter vergrößert, dann erzeugen die in der Nähe des Drahtes sehr schnellen Elektronen energiereiche Photonen, die ihrerseits wieder durch Fotoeffekt im ganzen Zählrohr neue Elektronen auslösen. Es kommt zu einem lawinenartigen Anwachsen des Stromes, dessen Stärke nicht mehr von der ursprünglich von den einfallenden Teilchen erzeugten Ladung Q abhängt - das Zählrohr befindet sich im Auslösebereich (Geiger-Zähler) V V V = Q t = a Q t, a > Pro einfallendem Teilchen ein Spannungsstoß U, der unabhängig von Q ist. onisationskammer Proportionalzähler Auslösebereich, Geigerzähler

3 KAPTEL. WEKZEUGE DE KENPHYSK 8 Abb..2.4 zeigt den Verlauf des onisationsstroms bzw. der dazu proportionalen Spannung U am Arbeitswiderstand in Abhängigkeit von der Zählrohrspannung. Gezeichnet sind die Kurven zweier einfallender Teilchen mit unterschiedlicher Energie. m Auslösebereich (Geigerzähler) ist die Energie des einfallenden Teilchens nicht mehr messbar. bzw. U onisationskammer Proportionalzähler Geigerplateau U = Durchschlag V Als Zählrate bezeichnet man das Verhältnis n = Abb..2.4 Spannung am Arbeitswiderstand Zahl der in der Zeit t registrierten Teilchen t (.2.4) Fallen viele Teilchen gleicher Energie in das Zählrohr ein und ist Q 0, die pro Teilchen erzeugte Ladung, dann gilt für den onisationsstrom im Proportionalbereich = a Q t = n a Q 0 (.2.5) m Auslösebereich bricht die Spannung U zwischen Zählrohrdraht und Zählrohrwand während des Nachweises eines Teilchens vollständig zusammen. Mit der Kapazität C des Zählrohrs (Zylinderkondensator) gilt für den Ladevorgang nach dem Auslösen U = ( e t C ) (.2.6) U 000 V Abb..2.5 Totzeit τ des Geigerzählers τ t Die Totzeit τ, während der das Zählrohr keine Teilchen registrieren kann, berechnet sich aus (.2.6) mit der Spannung U = U a 000 V, ab der sich das Zählrohr im Auslösebereich befindet, zu τ C ln U a (.2.7)

4 KAPTEL. WEKZEUGE DE KENPHYSK Der Halbleiterdetektor Der Halbleiterdetektor funktioniert ähnlich wie die onisationskammer. Statt einer gasgefüllten Kammer wird eine Diode mit sehr breiter Sperrschicht verwendet, die den Strom im Normalfall nicht durchlässt. Werden durch einfallende Teilchen in der Sperrschicht Ladungen getrennt, kann ein Strom fließen. Wegen der viel größeren Dichte und der kleineren onisierungsenergie (siehe Tabel- n-schicht Sperrschicht U Verstärker + p-schicht Zähler Abb..2.6 Halbleiterdetektor le) ist die beim Durchgang eines energiereichen Teilchens erzeugte Ladung im Halbleiterdetektor ungefähr 0 4 -mal so groß wie bei der onisationskammer. Silizium Luft ρ in kg m ,3 W ion in ev 3, Der Szintillationszähler Fotokathode Szintillator 2 3 U Verstärker 2 3 Lichtleiter + Zähler Abb..2.7 Szintillationszähler Der Szintillationszähler dient hauptsächlich zum Nachweis von Gammastrahlung. Der Szintillationszähler besteht aus dem Szintillator, einem Fotomultiplier (Sekundärelektronenvervielfacher) und der Zählelektronik. Der Szintillator ist oft ein NaJ-Kristall mit eingelagerten Tl-Atomen. Die Energie W γ eines einfallenden Quants wird im Szintillator zunächst durch Fotoeffekt oder mehrfache Comptonstreuung in kinetische Energie von Elektronen umgewandelt. Mit W e bezeichnen wir die gesamte kinetische Energie aller von einem einfallenden Quant freigesetzten Elektronen. Diese Elektronen geben ihre Energie als Anregungsenergie (hauptsächlich an die Tl- Atome) ab, die von den Atomen in Form von Photonen wieder ausgesandt wird. Die kinetische

5 KAPTEL. WEKZEUGE DE KENPHYSK 0 Energie eines Elektrons kann auch direkt durch Bremsstrahlungseffekte in Photonen verwandelt werden. Aus dem einen einfallenden Gammaquant hoher Energie sind jetzt viele Photonen niedrigerer Energie geworden. nsgesamt wird der Bruchteil ε von W e in Lichtenergie umgeformt. Bezeichnen wir mit W L die durchschnittliche Energie eines der erzeugten Photonen, dann ist die Gesamtzahl der erzeugten Lichtquanten n L = ε W e W L (.2.8) Der Bruchteil ε 2 dieser Photonen erreicht über einen Lichtleiter die Fotokathode des Fotomultipliers, wobei der Bruchteil ε 3 dieser Photonen ein Fotoelektron erzeugt. Die Zahl n der pro einfallendem Gammaquant an der Fotokathode erzeugten Elektronen ist also n = ε ε 2 ε 3 W e W L (.2.9) Der Verstärkungsfaktor A des Fotomultipliers liegt zwischen 0 6 und 0 0. Für den NaJ(Tl)- Kristall gilt ε 0,, ε 2 0, 4, ε 3 0, 2 und W L 3 ev. Für W e = MeV erhält man z.b. n = 2, Der Stromstoß durch den Widerstand ist Q = dt = A n e (.2.0) Der an auftretende Spannungsstoß W e U dt = dt = A n e = A e ε ε 2 ε 3 (.2.) W L ist dann direkt proportional zu W e. Verlässt kein gestreutes Quant bei der Compton-Mehrfachstreuung den Kristall oder wird das primäre Elektron durch Fotoeffekt erzeugt, dann ist W γ = W e. n diesem Fall (Fotopeak!) ist W γ proportional zum Spannungsstoß U dt = Q. Verlässt ein Streuquant den Kristall, dann ist W e < W γ (Comptongebirge). Durch Fotoeffekt werden stark gebundene (also kernnahe) Elektronen aus dem Atom abgelöst. Das Auffüllen dieses Loches durch äußere Elektronen führt zur Aussendung von öntgenquanten, die wiederum vom ntensität (Zählrate) öntgenlinien Comptongebirge Abb..2.8 Energiespektrum Fotopeak Kristall registriert werden (Linien ganz links in Abb..2.8). Abb..2.8 zeigt das vom Multiplier registrierte Energiespektrum der primären Elektronen beim Einfall einer monoenergetischen Gammastrahlung. st an den Szintillationszähler nur ein einfacher Zähler angeschlossen, dann kann nur die Gesamtzahl der in den Szintillator einfallenden Teilchen gemessen werden. Zur Aufzeichnung des in Abb..2.8 gezeigten Energiespektrums muss statt des Zählers ein sogenannter Vielkanalanalysator angeschlossen werden. W γ W e

6 KAPTEL. WEKZEUGE DE KENPHYSK.2.8 Der Vielkanalanalysator Der Vielkanalanalysator besteht aus einem AD-Wandler (Analog- Digital-Wandler) und einem angeschlossenen Computer mit einer geeigneten Auswertungssoftware. Das vom Verstärker gelieferte analoge Signal (Spannungsimpuls der Höhe U ) wird vom AD- Wandler in eine ganze Zahl z zwischen 0 und n umgewandelt und dem Computer übermittelt. Einfachere AD-Wandler liefern 256 Werte (0 bis 255). Das Auswertprogramm reserviert die n Variablen bis U n. Wird vom Verstärker ein Spannungsstoß der Höhe U mit k U U < (k+) U geliefert, dann gibt der AD- Wandler an den echner die Zahl k weiter, worauf das Programm die Variable U k um Eins erhöht. 3 n U 0 U 2 U 3 U (n ) U n U z 0 2 n Abb..2.9 AD-Wandler.2.9 Große Detektoren n Beschleunigerlabors findet man zum Teil hausgroße Detektoren, in denen Hochspannung führende Drähte in zueinander senkrechten ichtungen gespannt sind. Die von einem durchfliegenden Teilchen erzeugten freien Elektronen werden von den nächstliegenden Drähten abgesaugt und erzeugen in ihnen einen Stromstoß. Diese Stromstöße werden gemeinsam mit ihrer Entstehungszeit und dem Ort des Drahtes von einem Computer aufgezeichnet, der daraus die Abb..2.0 Gekreuzte Drähte Bahnkurve der Teilchen und ihre Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt. Da im Detektor meistens noch ein Magnetfeld herrscht, kann aus den Bahndaten (adius, Geschwindigkeit) auf die Art des Teilchens geschlossen werden.